对于那些伴随我们进化了数百万年，并且在我们的一生中仍然是我们生理学的一部分的东西，我们的肠道微生物群仍然是一个奇怪的谜。这个由我们胃肠道中的细菌、病毒、原生动物和真菌组成的群落，由至少一千种不同种类的万亿级微生物组成，这是每个人都独有的，并且发现它们与我们健身的每一个基本方面都息息相关，对我们的新陈代谢和心理健康都有免疫力。
对于加州大学圣巴巴拉分校的研究人员埃里克琼斯、王自鹏和约书亚穆勒来说，肠道微生物群是一台非凡的机器，充满了直接影响我们健康的互动和竞争。他们说把机器调整到有利的方向可以提高我们的抗病能力。
琼斯说：“医学疗法能通过改变微生物群的组成来改善宿主的健康吗？我们还不知道，所以这是一个巨大的研究领域。”“这个问题是一个伟大的动机。”
在日常生活中，我们很多人都希望通过服用益生菌和食用发酵食品来改善肠道菌群。在临床实践中，粪便移植已被证明能成功治疗肠道细菌艰难梭菌的反复感染，而艰难梭菌通常在“有益的”肠道细菌被用于治疗感染的抗生素消除后复发。
然而，除了采取广泛而英勇的措施在胃肠道中添加大量有益菌外，没有人知道如何巧妙地将系统指向健康的方向。
琼斯说：“这不仅仅是把正确的微生物放入体内。”“你需要了解微生物生活的环境，也需要了解促进肠道菌群稳定组成的因素。”
为了解决这个问题，在加州大学圣巴巴拉分校物理学教授Jean Carlson的指导下，研究人员提出了一种技术，通过操纵模型的一些参数，将数学肠道菌群模型推向目标菌群组成。这种方法被称为SPARC(SSR引导的参数改变)，它在不牺牲系统的情况下降低了系统的复杂性。此外，根据《物理评论E》发表的一项研究，它“还提供了如何操纵环境因素和物种间相互作用以控制生态结果的系统理解”。
旧方程式，新用途
第一作者王自鹏说，“因此，基本上，目标是找到与微生物群的环境变化相对应的参数变化。”它有助于把肠道微生物群想象成一个球，停在山顶上，准备向一个方向或另一个方向滚动。在这种理想化中，肠道环境决定了山丘的形状。健康的微生物群位于山的一边，另一边是疾病相关的成分。研究人员表示，尽管粪便移植将球直接推到了山丘健康的一侧，但SPARC可以控制山丘的形状，并有效地将球从一侧或另一侧滚下来。
为了描述这种肠道生态系统(数据是从纽约纪念斯隆-凯特琳中心的小鼠模型实验中收集的)，研究人员使用了广义Lotka-Volterra(gLV)方程。GLV方程，又称捕食-被捕食方程，起源于传统生态学中描述地球上物种间相互作用(如竞争和捕食)以及间接相互作用影响的百年方法。
王说：“但是，其中一个难点是肠道菌群有所有这些不同的细菌种类，所以Lotka-Volterra方程变得非常高维，这意味着有许多参数，许多细菌以不同的方式相互作用。我们很难找到合适的参数来实现所需的微生物组成。”
为了避免重复操作大量不同参数的实验，研究团队选择检查降维技术生成的生态模型的压缩但可靠的2D表示(称为“稳态降维”(SSR))。据研究人员称，这使他们能够缩小范围，并确定控制山丘形状的关键参数。
琼斯解释说：“我们希望我们的模型能够为我们提供一个系统的策略，来识别那些真正敏感和最重要的低维特征。”“让我非常惊讶和高兴的是，例如，我们可以找到一个参数，并将其值更改为其值的10%，这将改变山丘的形状。”
那个参数是什么？嗯，考虑到肠道菌群的多样性、饮食、共存条件和环境影响，不一定有一个通用的参数变化(如酸度或纤维含量)可以适应所有情况。研究人员表示，SPARC方法引导人们思考如何根据数据识别重要参数。
此外，SPARC目前主要是一个数学练习，尽管研究人员渴望在实验环境中尝试它。
约书亚穆勒说：“有些人正在研究所谓的单芯片肠道系统，就像一个复制人类肠道微生物区系某些条件的微型培养皿。”“在这些严格控制的实验环境中验证SPARC确实令人兴奋。”
琼斯说，在更远的未来，这种方法还可以为个性化的微生物群管理铺平道路，其中实时读取微生物群状态信息(例如，从智能马桶读取)可以告诉我们，改变饮食习惯可以避免疾病，改善我们的整体健康。
他说：“为了实现这一点，我们需要一个微生物组的机械模型。”“我们需要知道如何控制它。我们需要知道环境反馈如何影响微生物动态。”
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